Ein molekulares Schere-Stein-Papier Spiel und die Bildung raumzeitlicher Muster

• Antragsteller: Dr. Georg Urtel
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 364775124

Schere-Stein-Papier (SSP) bezeichnet das Phänomen der zyklischen Dominanz in der Spieltheorie. Dabei handelt es sich um eine Spiel in der ein Individuum eine der drei namensgebenden Strategien spielen kann, wobei jede der Strategien einer anderen überlegen ist: Stein schlägt Schere, Schere schlägt Papier, Papier schlägt Stein.Solch ein Verhalten konnte in der Natur bei Eidechsen beobachtet werden, wobei es zu Oszillationen kam. Dabei wurde die Gesamtpopulation immer von einer Strategie dominiert, bis sie von der nächsten Strategie verdrängt wurde. Bei Experimenten mit drei E.coli Stämmen wurden zwar keine Oszillationen beobachtet, allerdings die Ausbildung von Mustern. Zwischen den experimentell zugänglichen Systemen und den theoretischen Vorhersagen, klafft allerdings eine große Lücke. Simulationen von Systemen mit zyklischer Dominanz zeigen faszinierende raumzeitliche Phänomene, wie etwa die Entstehung von Spiralwellen, welche noch nie experimentell beobachtet werden konnten. Das beantragte Projekt zielt darauf ab solche Spiralwellen zum ersten mal in einem experimentellen SSP-System zu beobachten.Um das zu ermöglichen möchte ich die DNA-Toolbox – eine molekulare Programmiersprache - benutzen um ein in vitro SSP-Spiel zu erzeugen um Oszillationen und dynamische Muster zu beobachten. Die DNA-Toolbox ist eine Methode zur Erstellung von biochemischen Reaktionsnetzwerken, bei denen Enzyme mit Hilfe von DNA-Templates DNA-Spezies dynamisch auf- und abbauen. Über Hybridisierungen können die Spezies dabei unter einander wechselwirken. Durch entsprechendes Sequenzdesign können drei autokatalytischen Spezies (Schere, Stein, Papier) erstellt werden, die sich zyklisch inhibieren.Der Vorteil der DNA-Toolbox gegenüber den weiter oben beschriebenen Schere-Stein-Papier Systemen ist die volle Kontrolle über eine Vielzahl von Parametern, die sich in lebendigen Systemen nur schwer kontrollieren lassen. Wachstumsraten einzelner Spezies lassen sich durch die Konzentration der entsprechenden Templates beeinflussen, während die Änderung der Enzymkonzentrationen oder der Temperatur das System global verändern. Darüber hinaus kann die Diffusionskonstante jeder Spezies einzeln verändert werden, was für raumzeitliche Musterbildung essentiell ist. Außerdem lassen sich molekulare System leicht parallelisieren.Meine vorläufigen Ergebnisse zeigen drei autokatalytische Spezies deren Replikation sich mit Fluroeszenz-Reportern spezifisch verfolgen lässt und die Inhibition einzelner Spezies. Wenn das vollständige System aufgebaut ist lassen sich viele interessante Fragen nicht nur theoretisch, sondern auch experimentell beantworten. Unter welchen Umständen treten Oszillationen auf? Wie stabil sind diese Zustände gegenüber externer Störungen (etwa Temperaturänderungen)? Wann treten raumzeitliche Muster auf und wie kann man sie beeinflussen?

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Gastgeber: Dr. André Estévez-Torres